CN217712796U - 一种双稳态点吸收式波能转换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双稳态点吸收式波能转换器，包括能量转换装置、浮子主体、水平滑轨、中心柱、弹性端止组件和非线性刚度装置；浮子主体的高度中间位置设置有关于轴向中心面对称的水平滑轨；中心柱的中间位置处连接水平板，上部段和下部段对称连接与上下端盖连接的弹性端止组件；能量转换装置为圆筒型永磁直线发电机，其定子封装固定于上端盖的中心内侧，其动子封装固定于中心柱的上部段；非线性刚度装置的两T形杆的腹杆端头对称铰接于水平板的对侧，翼杆两端头分别与滑块铰接，两T形杆的翼杆两端分别连接拉簧；中心柱安装于浮子主体的轴向中心线上。中心柱与浮子主体仅有相对垂向运动，能量装换装置通过该垂向运动捕获能量发电。

Description

一种双稳态点吸收式波能转换器

技术领域

本实用新型属于海洋工程可再生能源领域，具体涉及一种双稳态点吸收式波能转换器。

背景技术

海洋是绿色能源的宝库，而波浪能在广袤的海洋中无处不在，被认为是最具前途的海洋能源之一。波浪能具有储能大、能量密度高、对环境影响小等优点。然而，与其他成熟的可再生能源技术相比，波浪能转换技术仍处于初级阶段，转化效率无法满足产业化与商业化的发展需求。在对波浪能的实际开发利用中，波浪能装换器往往会因为复杂多变的海洋环境受到损坏，造成较高的安装维修成本，因此在与海浪互动的过程中，除了能够承受操作负载之外，对极大波的耐受力和在极端负载条件下的生存能力也至关重要。

由于传统的线性波浪能转换器功率捕获效率低，近年来，一些研究人员开始将非线性刚度机制应用于波浪能转换器中。为了提高波浪能转换器功率捕获效率，许多基于非线性刚度或非线性阻尼的非线性波浪能转换器已经被提出，其中基于降低系统刚度思路的附加负刚度机理是研究最多的。在弹簧杆负刚度机构中，大多是通过辅助弹簧压缩的形式实现，最经典的是通过将由两个对称的斜弹簧组成的双稳态机构应用于点吸收式波浪能转换器，然而当压缩弹簧的长度较大时，受载后容易出现失稳现象，在实际复杂多变的海况下该现象难以通过调整避免。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种对波浪能具有高转化效率且能适用于复杂海况的双稳态点吸收式波能转换器。

本实用新型提供的这种双稳态点吸收式波能转换器，采用以下技术方案：包括能量转换装置、浮子主体、水平滑轨、中心柱、弹性端止组件和非线性刚度装置；浮子主体包括圆筒体及其两端连接的上端盖和下端盖，圆筒体高度的中间位置设置有关于其轴向中心面对称的水平滑轨，两水平滑轨平行布置；中心柱的中间位置处连接有水平板，上部段和下部段对称连接弹性端止组件；能量转换装置采用圆筒型永磁直线发电机，其定子封装固定于上端盖的轴向中心内侧，其动子封装固定于中心柱的上部段；非线性刚度装置包括T形杆和拉簧，两T形杆以腹杆平行于滑轨布置，两腹杆端头对称铰接于水平板的对侧，T形杆的翼杆两端头分别与滑块铰接，两T形杆的翼杆两端分别通过连接拉簧；中心柱安装于浮子主体的轴向中心线上，两端对称伸出下端盖和上端盖，下部段的弹性端止组件与下端盖固定，上部段的弹性端止组件与上端盖固定。

上述技术方案的一种实施方式中，所述水平滑轨的滑槽为燕尾槽，每根水平滑轨的滑槽中配置两个滑块。

上述技术方案的一种实施方式中，所述滑块包括与所述滑槽匹配的等腰梯形块和其顶面对中的圆柱形凸台，圆柱形凸台的中心位置处设置球面凹槽。

上述技术方案的一种实施方式中，所述下端盖的端盖主体内表面中心位置处设置有圆柱形凸台，圆柱形凸台和端盖主体设置贯穿的轴向中心孔用于安装所述中心柱。

上述技术方案的一种实施方式中，所述上端盖的端盖主体内表面中心位置处设置下端封闭的空心柱将所述定子封装，空心柱底板和端盖主体设置轴向中心孔用于安装所述中心柱。

上述技术方案的一种实施方式中，所述水平板为矩形板，其一对侧边与所述水平滑轨垂直；所述中心柱的柱体分为上下两段，上段为空心管，空心管的下端与水平板固定，上端封闭；水平板的上下侧分别固定缓冲垫，其垂直于水平滑轨的一对侧边中心位置处分别设置球面凹槽。

上述技术方案的一种实施方式中，所述动子固定于所述中心柱上段的轴向中心，下端与所述水平板固定；所述弹性端止组件包括压簧和其两端固连的缓冲垫。

上述技术方案的一种实施方式中，所述T形杆的翼杆两端端部对称设置工字型凸环，工字型凸环对应于所述水平板的非铰接侧外，所述拉簧的两端挂接于工字型凸环的凹槽处；T形杆的腹杆和翼杆端面分别连接球头，三个球头分别铰接于相应的球面凹槽中。

上述技术方案的一种实施方式中，所述中心柱的两端分别穿过上端盖和下端盖，下部段弹性端止组件与下端盖内表面的圆柱形凸台固定，上部段弹性端止组件与上端盖内表面的空心柱底面固定；中心柱与上端盖和下端盖之间间隙配合后填塞密封圈。

本能量转换器中心柱的中间位置铰接有非线性刚度装置，上、下部分别连接有弹性端止组件，中心柱与浮子主体仅有相对垂向运动，浮子主体上下运动时，中心柱上的矩形板相对浮子主体带动T形杆运动，其中矩形板与T形杆的铰接处做垂向运动。在浮子主体垂向运动过大的情况下，通过中心柱上下部的弹性端止组件对浮子主体进行限位，以防止结构损坏。非线性刚度装置的拉簧处于初始长度时，T形杆为倾斜状态，在拉簧达到最大拉伸变形时T形杆处于水平状态。整个转换器的工作原理如下：非线性刚度装置采用平行的两根拉簧与T形杆的翼杆连接，浮子主体相对中心柱运动时，左右T形杆与中心柱的铰接点相对浮子主体做垂直运动，两T形杆滑块的两个铰接点做水平运动，从而带动非线性刚度装置的拉簧水平拉伸，当拉簧相对变形量达到一定程度时，通过T形杆在垂向提供负刚度，可有效的降低波浪能转换器的固有频率，提高波能转换器在低频区的波能捕获效率。能量装换装置通过浮子主体与中心柱的相对垂向运动进行能量捕获发电。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例的轴测示意图。

图2为图1去掉上端盖后的示意图。

图3为本实施例的纵剖示意图。

图4为图2中中心柱及其上连接件的装配示意图。

图5为图2中T形杆的放大结构示意图。

图6为图2中滑块的放大结构示意图

图7为本实施例的力函数曲线示意图。

图8为本实施例的刚度函数曲线示意图。

图9为本实施例的势能函数曲线示意图。

具体实施方式

如图1至图6所示，本实施例公开的这种双稳态点吸收式波能转换器，包括浮子主体1、水平滑轨2、中心柱3、弹性端止组件4、非线性刚度装置5和能量转换装置。

浮子主体1包括圆筒体11及其两端连接的下端盖12和上端盖13。圆筒体11高度方向的中间位置设置有关于其轴向中心面对称的水平滑轨14，两水平滑轨14以滑槽相对平行布置，滑槽为燕尾槽，滑槽中连接有两个滑块15。

滑块15包括与燕尾槽匹配的梯形块和其顶面的圆柱形凸台，圆柱形凸台的中心位置处设置球面凹槽。

下端盖12的端盖主体内表面中心位置处设置有圆柱形凸台，圆柱形凸台和端盖主体设置贯穿的轴向中心孔用于安装中心柱3。

上端盖13的端盖主体内表面中心位置处设置下端封闭的空心柱，空心柱底板、和端盖主体设置轴向中心孔用于安装中心柱3。

能量转换装置采用圆筒型永磁直线发电机，其定子6嵌装固定于空心柱内，随浮子主体1运动。

中心柱3分为上段和下段，下段为实心圆柱杆，上段为空心管，下段的上段对中焊接矩形板31，圆筒型永磁直线发电机的动子7下端对中焊接固定于矩形板上，空心管套于动子外，下端与矩形板焊接固定。矩形板的顶面和底面分别固定缓冲垫HCD。

中心柱上部段和下部段对称固接有弹性端止组件4，矩形板21的顶面和底面分别固连缓冲垫HCD。

弹性端止组件4包括压簧41和其两端固连的缓冲垫HCD，弹性端止组件4与中心柱3装配时，中心柱3从缓冲垫的中心穿过，压簧41套于中心柱3外，缓冲垫与中心柱间隙配合。

非线性刚度装置5包括T形杆51和拉簧52，T形杆有两根，它们的腹杆和翼杆端头分别连接有球头，翼板的两端段端部连接有工字型凸环，两T形杆以腹杆相对布置，拉簧52有两根，它们的两端分别挂接于两T形杆翼板对应侧工字型凸环的凹槽中。

非线性刚度装置5装配时，两T形杆腹杆的球头分别嵌入中心柱3上矩形板31一对侧缘的球面凹槽中，两翼杆的球头分别嵌入滑块15的球面凹槽中，压簧位于矩形板另一对侧缘的外侧。

中心柱3与上、下端盖装配时，中心柱下端穿过下端盖，下部段弹性端止组件4下端的缓冲垫HCD与下端盖12内表面的圆柱形凸台固连。中心柱3上端穿过的定子6和上端盖13。

中心柱与上、下端盖装配好后，在安装孔处填塞密封圈。

从上述结构可以看出：

浮子主体随波浪做垂向运动时，T形杆在与中心柱上矩形板的铰接处通过中心柱做垂向运动，在与滑块的铰接点处通过滑槽做水平运动，带动拉簧水平拉伸。

以T形杆水平时铰接点作为为线位移的零点，浮子主体运动时线位移表示铰接点相对浮子主体的垂向运动。

当浮子主体在垂向运动过大时，弹性端止组件作为端止机构，其压簧两端的缓冲垫相接触使压簧压缩，起到限位缓冲作用，从而实现对波浪能转换器的防护。

总结来说，中心柱的中间位置铰接有非线性刚度装置，上、下部分别连接有弹性端止组件，中心柱与浮子主体仅有相对垂向运动，浮子主体上下运动时，中心柱上的矩形板相对浮子主体带动T形杆运动，其中矩形板与T形杆的铰接处做垂向运动。在浮子主体垂向运动过大的情况下，通过中心柱上下部的弹性端止组件对浮子主体进行限位，以防止结构损坏。非线性刚度装置的拉簧处于原长时，T形杆为倾斜状态，在拉簧达到最大拉伸变形时T形杆处于水平状态。整个转换器的工作原理如下：非线性刚度装置采用平行的两根拉簧与T形杆的翼杆连接，浮子主体相对中心柱运动时，左右T形杆与中心柱的铰接点相对浮子主体做垂直运动，两T形杆滑块的两个铰接点做水平运动，从而带动非线性刚度装置的拉簧水平拉伸，当拉簧相对变形量达到一定程度时，通过T形杆在垂向提供负刚度，可有效的降低波浪能转换器的固有频率，提高波能转换器在低频区的波能捕获效率。能量转换装置的定子固定于浮子主体上，动子固定于中心柱上，浮子主体与中心柱相对垂向运动时，定子和动子相对运动捕获能量发电。

如图7所示，静水恢复力随着线位移线性增大，波浪能转换器未加端止机构时力随线位移呈类似三次函数变化，波浪能转换器加入端止机构力在限位处斜率改变，在端止机构作用后波浪能转换器的力函数值增大，在持续缓冲力作用下限制浮子主体运动，避免浮子主体运动过大时组件之间的瞬间冲击造成波浪能转换器损伤。

如图8所示，静水恢复刚度曲线始终保持不变，当浮子主体在外力作用下发生垂向运动时，随着线位移趋于零点，波浪能转换器未加端止机构和加入端止机构的刚度曲线在靠近零点处出现负刚度特性，即当拉簧拉伸变形到一定程度时，拉簧通过T形杆在垂向提供负刚度，可有效的降低波浪能转换器的固有频率，提高波能转换器在低频区的波能捕获效率。波浪能转换器加入端止机构的刚度曲线在限位处刚度呈跳跃式增加，在波浪能转换器运动幅值过大时快速限位保护波浪能转换器。

如图9所示，静水恢复势能曲线为单井，而波浪能转换器未加端止机构和加入端止机构的势能曲线为双井，在一定的波浪激励力作用下，由于点吸收式波浪能转换器的双井间跳跃特性，能有效的放大波能转换器中浮子系统的运动位移和速度，提高波能捕获效率。波浪能转换器加入端止机构的势能曲线在限位处增大，其过大的动能可以储存为端止机构压簧的势能进而保护自身。

Claims (9)

1.一种双稳态点吸收式波能转换器，包括能量转换装置，其特征在于：它还包括浮子主体、水平滑轨、中心柱、弹性端止组件和非线性刚度装置；

浮子主体包括圆筒体及其两端连接的上端盖和下端盖，圆筒体高度的中间位置设置有关于其轴向中心面对称的水平滑轨，两水平滑轨平行布置；

中心柱的中间位置处连接有水平板，上部段和下部段对称连接弹性端止组件；

能量转换装置采用圆筒型永磁直线发电机，其定子封装固定于上端盖的轴向中心内侧，其动子封装固定于中心柱的上部段；

非线性刚度装置包括T形杆和拉簧，两T形杆以腹杆平行于滑轨布置，两腹杆端头对称铰接于水平板的对侧，T形杆的翼杆两端头分别与滑块铰接，两T形杆的翼杆两端段之间分别连接拉簧；

中心柱安装于浮子主体的轴向中心线上，两端对称伸出下端盖和上端盖，下部段的弹性端止组件与下端盖固定，上部段的弹性端止组件与上端盖固定。

2.如权利要求1所述的双稳态点吸收式波能转换器，其特征在于：所述水平滑轨的滑槽为燕尾槽，每根水平滑轨的滑槽中配置两个滑块。

3.如权利要求2所述的双稳态点吸收式波能转换器，其特征在于：所述滑块包括与所述滑槽匹配的等腰梯形块和其顶面对中的圆柱形凸台，圆柱形凸台的中心位置处设置球面凹槽。

4.如权利要求1所述的双稳态点吸收式波能转换器，其特征在于：所述下端盖的端盖主体内表面中心位置处设置有圆柱形凸台，圆柱形凸台和端盖主体设置贯穿的轴向中心孔用于安装所述中心柱。

5.如权利要求4所述的双稳态点吸收式波能转换器，其特征在于：所述上端盖的端盖主体内表面中心位置处设置下端封闭的空心柱将所述定子封装，空心柱底板和端盖主体设置轴向中心孔用于安装所述中心柱。

6.如权利要求3所述的双稳态点吸收式波能转换器，其特征在于：所述水平板为矩形板，其一对侧边与所述水平滑轨垂直；所述中心柱的柱体分为上下两段，上段为空心管，空心管的下端与水平板固定，上端封闭；水平板的上下侧分别固定缓冲垫，其垂直于水平滑轨的一对侧边中心位置处分别设置球面凹槽。

7.如权利要求6所述的双稳态点吸收式波能转换器，其特征在于：所述动子固定于所述中心柱上段的轴向中心，下端与所述水平板固定；所述弹性端止组件包括压簧和其两端固连的缓冲垫。

8.如权利要求6所述的双稳态点吸收式波能转换器，其特征在于：所述T形杆的翼杆两端端部对称设置工字型凸环，工字型凸环对应于所述水平板的非铰接侧外，所述拉簧的两端挂接于工字型凸环的凹槽处；T形杆的腹杆和翼杆端面分别连接球头，三个球头分别铰接于相应的球面凹槽中。

9.如权利要求5所述的双稳态点吸收式波能转换器，其特征在于：所述中心柱的两端分别穿过上端盖和下端盖，下部段弹性端止组件与下端盖内表面的圆柱形凸台固定，上部段弹性端止组件与上端盖内表面的空心柱底面固定；中心柱与上端盖和下端盖之间间隙配合后填塞密封圈。

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